初中物理苏科版九年级全册5 机械效率优秀一课一练

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11.5机械效率
【知识梳理】
一、三种功
1.有用功：人利用机械在达到目的的过程中，所做的对人们有用的功，叫做有用功。有用功相当于不使用机械时，人直接对物体所做的功。
注意：机械的使用目的，决定了有用功是克服哪个力做功。
2.额外功：在工作时，人们不需要的但不得不做的功，叫做额外功。使用机械时，由于克服机械摩擦以及机械自重所做的功就是额外功。
3.总功：动力做的功，也即有用功加额外功。

二、机械效率
机械效率：有用功跟总功的比值叫机械效率。
1.公式
（1）定义式：
（2）变形式：
注意：有用功总小于总功，机械效率总小于1。机械效率用百分数表示，公式中的百分号不可省略。
2.机械效率的常见错误理解
错误一：机械越省力，机械效率越高
解释：一般情况下，机械越省力就越复杂，额外功就越多，机械效率就越低。
错误二：机械做功越多，机械效率越高
解释：机械做功越多，有用功、额外功、总功均增多，机械效率不变。
错误三：机械功率越大，机械效率越高
解释：机械功率越大，做功越快，但机械效率与功率无关。
3.提高机械效率的方法：
（1）额外功一定时，增大有用功；
（2）有用功一定时，减小额外功；
（3）增大有用功的同时减小额外功。
4.实验：探究影响滑轮组机械效率的因素
（1）实验原理：
（2）需要测量的物理量：物体的重力G、物体被提升的高度h、拉力F、绳子自由端移动的距离s
（3）实验器材：钩码、铁架台、滑轮、细线；弹簧测力计、刻度尺
（4）实验方法：控制变量法
①探究滑轮组的机械效率与物重的关系时，使用相同的滑轮组，改变所挂钩码的数量；
②探究滑轮组的机械效率与动滑轮重力的关系时，控制所挂钩码的数量相同，改变滑轮组中动滑轮的重力；
（5）实验操作
①按照图示安装滑轮组，测钩码重力G并记钩码和绳端的位置；
②用弹簧测力计缓慢拉动绳端，使钩码匀速上升，读出拉力F的值，并测出钩码上升的高度h和绳端移动的距离s；记录实验数据填入表格中；
③多次改变钩码的数量，重复步骤（2）实验；
④改变绳子的绕法，重复步骤（2）实验；
⑤用动滑轮质量不同的两个滑轮组吊相同的构码，重复步骤（2）实验；
⑥分别计算出机械效率，分析测量结果，讨论影响机械效率的因素。
（6）注意事项：
①实验中弹簧测力计沿竖直方向匀速拉动，目的是保证拉力等于弹簧测力计的示数；
②绳子自由端移动的距离和物体上升高度的关系s=nh(n为作用在动滑轮上绳子的股数)；
③在读数时，不能停住，要在匀速运动时度测力计示数，因为静止时读数小于匀速运动时的读数；
④没有刻度尺也能完成实验，可以通过绕绳的方式即n’的股数来确定物体上升的高度和绳端移动距离的倍数关系。
（7）交流反思：
①分析实验数据，总结滑轮组机械效率的影响因素：物体重力、动滑轮重力；
②提高滑轮组机械效率的方法：减少机械间的摩擦、减小动滑轮的重力、增加物重；
③滑轮组的机械效率与物体被提升的高度及滑轮组的绕线方式无关；
④物重增大，额外功也变大，是因为随着物重的增加，滑轮与轴之间的摩擦力增大，克服摩擦力做的额外功增加。
（8）实验结论：
在其他条件相同时，动滑轮越重，机械效率越低；在绳子所能承受的范围内，所吊物体越重，机械效率越高。
5.实验：探究影响斜面机械效率的因素
（1）实验原理：
（2）需要测量的物理量：物体的重力G、斜面的高度h、拉力F、斜面的长度s
（3）实验器材：斜面、重力不同长方体物块、弹簧测力计、刻度尺、毛巾、棉布、大木块（用来垫高）
（4）实验方法：控制变量法
①探究斜面的机械效率与斜面倾斜程度的关系时，控制物体重力、与斜面接触面积、斜面长s不变，改变的是斜面的高度h从而改变斜面倾斜程度；
②探究斜面的机械效率与物体斜面之间接触面大小的关系时，控制木块的重量G不变，斜面长s不变，斜面的高度h不变，改变的是物体斜面接触面积使（用同一个长方体物块，使它的不同面与题意个斜面接触）
③探究斜面的机械效率与它的粗糙程度的关系时，控制木块的重量G不变，斜面长s不变，斜面的高度h不变，改变的是斜面的粗糙程度（使用同一个长方体物块的同一个面，使它分别在倾角相同的木板、铺由毛巾、棉布的斜面上运动）；
④探究斜面的机械效率与物体的重力的关系时，控制斜面粗糙程度相同、接触面积相同，斜面长s不变，斜面的高度h不变，改变物体重力G。
（5）注意事项：
要使用弹簧测力计拉着物体沿斜面方向匀速运动。
（6）实验表格下表可供参考（按照下表做实验时需要控制斜面粗糙程度一定）
（7）结论：
①在其他条件一定时，斜面的倾斜程度越大，机械效率越高；
②斜面的机械效率与物体斜面之间接触面大小无关；
③在其他条件一定时，斜面表面粗糙程度越大，机械效率越低；
④斜面的机械效率与物体重力无关。
（8）提高斜面机械效率的方法：
在其他条件一定时，斜面的倾斜程度越大，机械效率越高，斜面表面粗糙程度越小，机械效率越高。所以提高斜面机械效率的方法是增大斜面的倾斜程度、减小斜面表面粗糙程度。
【易错点】
有用功要根据做功的目的为依据进行分析，也就是说目的到底是克服哪个力做的功。
【规律总结】
几种不同机械的机械效率
1.杠杆
①使用目的：使物体在竖直方向上升一定的距离
②有用功：克服物体自重所做的功，即
③额外功：克服杠杆自重及摩擦力所做的功。
④总功：拉力做的功，即
⑤机械效率：
2.竖直滑轮组
①使用目的：使物体在竖直方向上升一定的距离
②有用功：克服物体自重所做的功，即
③额外功：克服动滑轮、绳自重及摩擦力所做的功。若不计绳重和摩擦，
④总功：拉力做的功，即
⑤机械效率：
（不计绳重及摩擦）
3.水平滑轮组
①使用目的：使物体在水平方向移动一定的距离
②有用功：克服物体自重所做的功，即
③额外功：克服滑轮与绳之间的摩擦所做的功。
④总功：拉力做的功，即
⑤机械效率：
4.水中滑轮组（仅重物在水中）
①使用目的：使物体在竖直方向上升一定的距离
②有用功：克服物体重力与所受浮力的合力所做的功，即
③额外功：克服动滑轮、绳自重及摩擦力所做的功。若不计绳重和摩擦，
④总功：拉力做的功，即
⑤机械效率：
5.斜面
①使用目的：使物体在竖直方向上升一定的距离
②有用功：克服物体重力所做的功，即
③额外功：克服物体与斜面间的摩擦力所做的功，
④总功：拉力做的功，即
⑤机械效率：
6.水中斜面
①使用目的：使物体在竖直方向上升一定的距离
②有用功：克服物体重力与所受浮力的合力所做的功，即
③额外功：克服物体与斜面间的摩擦力所做的功，
④总功：拉力做的功，即
⑤机械效率：
7.组合机械
①使用目的：使物体在竖直方向上升一定的距离
②有用功：克服物体重力所做的功，即
③额外功：a.克服物体与斜面间的摩擦力所做的功，
b.克服动滑轮、绳自重及滑轮与绳间的摩擦所做的功。若不计绳重和滑轮与绳间的摩擦，
④总功：拉力做的功，即
⑤机械效率：
【典例分析】
1．（2022·江苏南通·九年级月考）做值日时，小阳将一桶水从一楼提到三楼．此过程中，关于做功的说法正确的是
A．对桶做的功是有用功B．对水做的功是有用功
C．对水做的功是额外功D．克服自身重力做的功是总功
【答案】B
【详解】
小阳目的是提水，对水做的功为有用功，故B正确、C错；
对桶做的功为额外功，所以A错；
小阳把水、桶、自身提升做的功为总功，所以D错．
2．（2022·陕西西安·九年级期末）下列关于功率、机械效率说法中，正确的是（ ）
A．机械效率越高，机械做功一定越快B．做功越多的机械，机械效率越高
C．做功越快的机械，功率越大D．功率越大的机械，做功一定越多
【答案】C
【详解】
A．机械效率是指有用功与总功的比值，功率表示物体做功的快慢，机械效率与机械功率大小没有直接关系，机械效率越高，机械做功不一定越快，故A错误；
B．有用功与总功的比值叫机械效率，与做功的多少没有直接关系，故B错误；
C．做功快的机械，说明单位时间内完成的功多，所以功率一定大，故C正确；
D．由W＝Pt可知，做功的多少与时间和功率有关，只是功率大，但时间短做功也不一定多，故D错误。
故选C。
3．（2022·广西贺州·九年级月考）如图所示，用F=12N的拉力竖直向上匀速提升木块，2s内木块升高的高度为0.1m，木块重力G=30N，在此过程中下列判断正确的是（ ）
A．拉力F做功为1.2JB．滑轮组做的有用功为3J
C．滑轮组机械效率为40%D．拉力F做功的功率为0.6W
【答案】B
【详解】
AB．滑轮组做的有用功为
W有用=Gh=30N×0.1m=3J
由图可知，动滑轮上的绳子段数n=3，则绳端的移动距离
s=nh=3h=3×0.1m=0.3m
拉力F做功为
W总=Fs=12N×0.3m=3.6J
故A错误，B正确；
C．机械效率
故C错误；
D．拉力F做功的功率
故D错误。
故选B。
【思路小结】
机械效率的计算最关键的是计算有用功、额外功、总功。有用功就是不用机械也要克服的阻力做的功。额外功是使用机械之后才需要克服的阻力做的功，总功就是克服一切阻力做的功。理解了这三种功的计算及关系，机械效率就迎刃而解了。
【精典训练】
一、单选题
1．（2022·河北石家庄·九年级期中）如图，利用轻质滑轮组以的速度匀速拉动水平地面上重为的物体，拉力的大小为。若物体和地面之间的摩擦力大小为，则拉力的功率和滑轮组的机械效率分别为（ ）
A．、 B．、 C．、 D．、
【答案】C
【解析】
从图可知，由段绳子与动滑轮相连，因为物体以的速度做匀速直线运动，因此处的速度为
则的功率
所以滑轮组的机械效率为
故ABD不符合题意，C符合题意。
故选C。
2．（2022·江苏无锡·九年级期末）利用四个相同的滑轮，组成如图所示的甲、乙两个滑轮组，用同样的时间，把质量不等的重物G甲、G乙（G甲A．F甲η乙 C．F甲【答案】C
【解析】
由图可知，甲滑轮组绳子的有效股数n甲=3，乙滑轮组绳子的有效股数n乙=2，忽略绳重与摩擦，由于
G甲根据
可知，
F甲把质量不等的重物G甲、G乙提升了相同的高度，动滑轮的重力相同，由于
G甲根据
W总=(G+G动)h
可知
W总甲所用时间相同，根据可知
P甲由于
G甲动滑轮的重力相同，忽略绳重与摩擦，根据
可知
η甲<η乙
综上所述，C正确，ABD错误。
故选C。
3．（2022·山东济宁·八年级期末）如图所示，在斜面上将一个重6N的物体匀速拉到高处，沿斜面向上的拉力为2N，斜面长4m，高1m。下列说法正确的是（ ）
A．运动过程中，重物一定受到三个力的作用
B．运动过程中，重物的动能转化为重力势能
C．斜面的机械效率为75%
D．重物受到的摩擦力为2N
【答案】C
【解析】
A．将物体匀速拉到高处的过程中，物体受到了重力、支持力、摩擦力、拉力共4个力的作用，故A错误；
B．物体被匀速拉到高处的过程中，重物的质量不变，速度不变，则动能不变，高度增加，重力势能增加，所以重物的机械能增大，不是动能转化为重力势能，故B错误；
C．此过程所做有用功为
W有=Gh=6N×1m=6J
所做总功为
W总=Fs=2N×4m=8J
机械效率
故C正确；
D．此过程所做额外功为
W额=W总-W有=8J-6J=2J
物体受到的摩擦力为
故D错误。
故选C。
4．（2022·北京东城·八年级期末）关于功、功率、机械效率，下列说法正确的是（ ）
A．作用在物体上的力越大，该力对物体做的功越多
B．机械做功越多，机械的功率越大
C．机械的功率越大，机械效率越高
D．机械做功越快，机械的功率越大
【答案】D
【解析】
A．功的大小等于力与物体在力的方向上通过的距离的乘积，作用在物体上的力越大，但不知道物体在力的方向上通过的距离，无法判断该力对物体做的功多少。故A错误；
BD．功率是描述做功快慢的物理量，机械做功越快，机械的功率越大，其数值等于功与做功所用时间的比。做功越多，但做功时间未知，无法判断功率的大小。故B错误，D正确；
C．物理学中，将有用功与总功的比值叫作机械效率，机械效率的大小与功率大小无关。机械的功率越大，说明该机械做功快，不能说明机械效率高。故C错误。
故选D。
5．（2022·河南南阳·中考一模）如图所示，重为G的物体在拉力F的作用下，以速度v匀速运动了s，已知物体在水平桌面上运动时受到的摩擦阻力为物重的n分之一，不计绳重、绳与轮、轮与轴间的摩擦，下列说法正确的是（ ）
A．拉力的功为FsB．额外功为C．拉力的功率为2FvD．滑轮组的机械效率为
【答案】C
【解析】
A．由图可知，连接动滑轮绳子的股数为2，绳子自由端移动的距离为2s，拉力做的总功为
W=Fs绳=2Fs
故A错误；
B．由题意可知，物体运动时受到的摩擦阻力为
克服摩擦阻力做的功为有用功为
则额外功为
故B错误；
C．绳端移动的速度为
v绳=2v
则拉力的功率为
P=Fv绳=2Fv
故C正确；
D．滑轮组的机械效率为
故D错误。
故选C。
二、填空题
6．（2022·广东江门·八年级期末）用如图所示的滑轮组将重为120N的物体竖直匀速提升5m，绳子自由端的拉力为50N，则此过程中有用功为___________J，机械效率为___________，若增大所提物体的重力，此滑轮组的机械效率将___________（选填“变大”、“变小”或“不变”）。
【答案】 600 80% 变大
【解析】
[1][2]将重为120N的物体竖直匀速提升5m，所以拉力做的有用功为
W有用=Gh=120N×5m=600J
由图可知，该滑轮组绳子的承重段数n=3，所以绳子自由端移动的距离为
s绳=nh物=3×5m=15m
又因为绳子自由端的拉力为50N，所以拉力做的总功为
W总=Fs=50N×15m=750J
所以该滑轮组的机械效率为
[3]不计摩擦和绳重，滑轮组的机械效率为
所以若增大所提物体的重力，则变小，机械效率将变大。
7．（2022·广东江门·九年级期末）如图所示是利用起重机打捞水中物体的示意图。起重机的吊臂前端由滑轮组组成，动滑轮总重为300kg，绳重和摩擦不计。现在用此起重机从水中把质量为2×103kg，体积为0.8m3的物体G向上提，当物体在水中均匀上升时，滑轮组上钢丝绳拉力F的功率为3kW。则物体完浸没在水中时受到的浮力为______N，物体未露出水面前上升的速度为______m/s，物体离开水面后，滑轮组的机械效率是______。（g＝10N/kg，ρ水＝1.0×103kg/m3）
【答案】 8000 0.2 87.0%
【解析】
[1]物体完全浸没在水中时受到的浮力
[2]拉物体的绳子所受的拉力
由图可知，n＝3，则绳重及摩擦不计时，钢丝绳拉力F的大小
由得拉力F端移动速度
物体上升速度
[3]物体离开水面后，滑轮组的机械效率
8．（2022·山东淄博·八年级期末）工人师傅搬运货物时，在地面和卡车的车厢间倾斜放置一长木板搭成斜面，将地面上的货物沿斜面匀速拉上车厢用时15s。已知车厢高1.5m，木板长3m，货物质量为60kg，沿斜面所用的拉力为400N，则工人师傅所做的有用功为 ___________J，工人师傅做功的功率为 ___________W，该斜面的机械效率为 _________，货物所受的摩擦力为 ___________N。（g取10N/kg）
【答案】 900 80 75% 100
【解析】
[1]工人师傅做的有用功为
W有用=Gh=mgh=60kg×10N/kg×1.5m=900J
[2]工人师傅做的总功
W总=Fs=400N×3m=1200J
做功功率
[3]斜面的机械效率
[4]工人师傅做的额外功
W额=W总﹣W有用=1200J﹣900J=300J
由W额=fs可得货物受到的摩擦力
三、实验题
9．（2022·湖南衡阳·八年级期末）如何提高滑轮组机械效率，节约能源呢？为此同学们进行了"影响滑轮组机械效率因素"的实验探究，用到的装置如图所示，实验数据记录如表所示。
（1）实验中应沿竖直方向___________拉动弹簧测力计；
（2）分析表中数据可知第4次实验是用图___________所示装置来完成的；
（3）通过比较1、2两次实验数据可得出∶使用同一滑轮组提升相同重物，滑轮组的机械效率与重物上升高度___________；
（4）通过比较1、3两次实验数据可得出∶_______________；
（5）通过比较3、4两次实验数据可得出∶不同滑轮组提升相同重物，动滑轮越重机械效率___________；
（6）为提高滑轮组机械效率、节约电能，根据以上结论和生活经验，你建议可采取的措施有_________。
A．减轻动滑轮重 B．增加所提物体重 C．机械加润滑油 D．增加重物上升高度
【答案】 匀速 丙 无关 用同样滑轮组拉动的物体物重越大，机械效率越高 越小 ABC
【解析】
（1）[1]根据二力平衡，弹簧测力计只有竖直方向匀速拉动时，此时弹簧测力计的示数才能更精确的表示拉力的大小。
（2）[2]从第四次表中数据可知：绳端移动的距离是钩码上升的高度的5倍，所以可判断处滑轮组承重绳的段数是5，故可判断是图丙滑轮组。
（3）[3]比较1、2两次实验数据可得出：使用同一滑轮组提升相同重物，滑轮组的机械效率不变，故使用同一滑轮组提升相同重物，滑轮组的机械效率与重物上升的高度无关。
（4）[4] 通过比较1、3两次实验数据可得出：1、3两组实验是用的同一个滑轮组拉动不同物重的物体，物重越大的，机械效率越高。
（5）[5]比较3、4两次实验数据可得出∶不同滑轮组提升相同重物，动滑轮越重机械效率越小。
（6）[6]减轻动滑轮的重会导致额外功减小，有用功不变，总功减小，故减轻动滑轮的重可以提高机械效率。增加所提物体重时，有用功增大，额外功不变，这样也可以提高机械效率。机械添加润滑油可以减小克服摩擦力所做的额外功，同样也可以提高机械效率。提升物体上升的高度对于机械效率没有影响。故选ABC。次数
钩码重G/N
钩码上升的高度h/m
有用功
W有用/J
弹簧测力计示数F/N
绳子自由端移动的距离s/m
总功
W总/J
机械效率
η
斜面倾斜程度
物体的重力
G/N
斜面高度
h/m
有用功
W有/J
拉力F/N
斜面长度
s/cm
总功
W总/J
机械效率
η
最缓
G1
最缓
G2
最缓
G3
较陡
G1
最陡
G1
实验次数
钩码重力G/N
钩码上升高度h/m
绳端拉力F/N
绳端移动距离s/m
机械效率η
1
2
0.1
1.2
0.3
55.6%
2
2
0.2
1.2
0.6
55.6%
3
4
0.1
1.9
0.3
70.2%
4
4
0.1
1.3
0.5
61.5%